介孔二氧化硅在生物醫(yī)藥方面的應用

孫洋,李光鵬,梁宏杰,石力豪,馬興萌,張存超,曹駿騰,李秀芳*

(1.菏澤學院 藥學院,山東 菏澤 274015;2.青島農(nóng)業(yè)大學 海洋科學與工程學院,山東 青島 266200)

近年來,我國各種疾病的發(fā)病率和死亡率正逐年上升。就目前來講,在眾多疾病類型中,腫瘤已經(jīng)成為危害我國人民身體健康的主要疾病之一。當前,我國治療腫瘤的主要方式還是通過非特異性的傳統(tǒng)治療方法,例如:手術、化療、放療等。但這些非特異性傳統(tǒng)治療方式無法從根本上治療無限增殖的腫瘤細胞,而且會對正常組織細胞產(chǎn)生毒副作用。為減少非特異性傳統(tǒng)治療方式給患者帶來的毒副作用,并能達到特異性治療的目的,科學家們經(jīng)過夜以繼日的研究,發(fā)現(xiàn)可以通過靶向治療的方式來實現(xiàn)該目的。20世紀90年代后期科研工作者們研究出靶向治療的方式并且在治療某些類型癌癥上取得了較好的效果,雖然與化學治療一樣能夠有效地治療癌癥,但化療有漫長的治療周期和毒副作用,相較于化療來說,其治療周期和毒副作用明顯降低。靶向治療的原理是使特異性治療藥物進入機體內(nèi),與體內(nèi)致癌的腫瘤細胞發(fā)生特異性結合,使腫瘤細胞死亡。因介孔二氧化硅納米顆粒具有可調(diào)節(jié)均勻的粒徑、無毒、可控制的孔徑、高比表面積以及物理、化學穩(wěn)定性等特性,所以在醫(yī)藥學上常用做靶向藥物載體來治療腫瘤。

1 介孔二氧化硅的介紹

介孔二氧化硅納米粒(mesoporous silica nanoparticles,MSNs)是一種粒徑為 0.01～0.6 μm、孔徑為0.002～0.05 μm 并具有粒徑均勻可控、表面易修飾、無毒、優(yōu)良的生物相容性、極大的比表面積等獨特優(yōu)良性能的二氧化硅粒子。

1992年Mobil公司的Kresge 等科學家[1]提出了模板的概念,以季銨鹽型陽離子表面活性劑為模板,在堿性條件下(pH值>7)制備出具有高度有序孔道結構特性的MCM-41型介孔二氧化硅,MCM-41作用機制如圖1,這受到社會各行業(yè)的廣泛關注,應用在農(nóng)業(yè)、工業(yè)、生物學、醫(yī)藥學等科研領域。

圖1 MCM-41形成的機制

1.1 介孔二氧化硅的種類

依照國際純粹與應用化學聯(lián)合會(IUPAC)的定義,根據(jù)多孔材料的孔徑大小可將其分為以下三類,分別為微孔材料、介孔材料、大孔材料,孔徑大小分別為(<2,2～50,>50 nm)。常見的介孔二氧化硅材料有SBA、MCM、MSU和TDU等系列[2]。其中以孔徑有序可調(diào)、比表面積大(>900 m2/g)的MCM系列技術最為成熟。MCM系列分子篩主要有三種類型如圖2所示。

1.2 介孔二氧化硅的制備

自1992年,Mobil公司的科學家[3]研究制備出具有高度有序孔道獨特結構的MCM-41型介孔二氧化硅以來,各種具有高度有序孔道獨特結構型號的介孔二氧化硅也被相繼研發(fā)出來,并且應用于各個領域,例如:催化、吸附、分離等。

制備介孔二氧化硅的方法非常多,例如溶膠-凝膠法[4],其主要是將95%的乙醇與硅酸酯按一定的比例混合成均勻的混懸液,并且加入去離子水不斷攪拌以便于調(diào)節(jié)溶液的pH值,再加入十六烷基三甲基溴化銨(hexadecyl trimethyl ammonium bromide,CTAB)為表面活性劑,制成MSNs。但是,一般的介孔二氧化硅材料不易被肝臟和脾臟等器官代謝,經(jīng)過科學家們研究發(fā)現(xiàn),表明機體想全部代謝清除MSNs需要一個月左右的時間,若服用時間間隔小于代謝時間,容易在機體發(fā)生代謝的器官內(nèi)蓄積,當蓄積到一定程度時會對機體各組織器官產(chǎn)生毒副作用[5]。

正所謂結構決定性質(zhì),我們可以通過改變二氧化硅納米粒子的孔徑大小、粒徑、表面形態(tài)及內(nèi)部形態(tài)等可以很容易地控制它們的功能及其性質(zhì),如圖3[6]。

圖3 MSN的功能與其屬性之間的關系

因一般的MSNs不易被機體代謝,所以可降解的介孔二氧化硅材料作為前景光明的藥物載體應運而生,可降解的MSNs因其獨特的生物降解性使其在診斷機體疾病與治療疾病方面發(fā)揮了重要的作用。

2 介孔二氧化硅在生物醫(yī)藥方面的應用

2.1 用于疾病的診斷

據(jù)報道,吸附在固體材料上的脫氧核糖核酸(DNA)可應用在對機體疾病的基因診斷、傳遞和生物傳感器等方面。作為性能優(yōu)良藥物載體的介孔二氧化硅材料,因其具有大于900 m2/g的比表面積,可以用來作為脫氧核糖核酸的吸附劑[7]。介孔二氧化硅也可以作為核磁共振造影劑應用于診斷疾病[8]。張澤芳[9]合成小粒徑的二氧化硅-共聚物雜化納米體系(SNP),構建了近紅外發(fā)光納米探針,用于小動物全身成像和淋巴結成像(圖4),未來經(jīng)過進一步的改良可以在診斷人類疾病的領域有更大的發(fā)展。

圖4 M507@SNP的構建過程和活體成像示意圖

2.2 用于疾病的治療

2.2.1 腫瘤治療

納米制劑和一般藥劑比較,有著提高藥品消融率、提高藥品穩(wěn)定性、緩釋控釋藥物等諸多優(yōu)點?，F(xiàn)今納米技術的發(fā)展強勁,納米藥物也在各醫(yī)療領域,如抑制腫瘤藥品開發(fā)中日益發(fā)展,許多納米外用制劑藥品也已經(jīng)得到審批上市,并呈現(xiàn)出了良好的使用前景。而目前,隨著科學技術水平的日益提升,納米載藥體系也在進一步的發(fā)展完善,科研人員不斷研發(fā)出適應不同藥物遞送的載體,其中最受科研人員關注和給予最大期待的是介孔二氧化硅納米粒(MSNs)藥物遞送載體。

MSNs具有優(yōu)異的藥物負載能力以及良好的生物相容性及降解能力,可以在一定程度上減小藥物的毒性同時可以延長藥物在體內(nèi)的循環(huán)時間并且還可以提升作用速度。另外,在治療腫瘤方面可以將化療藥物裝載到MSNs中,其中以裝載阿霉素(DOX)最為常見;一方面,由于DOX作為單一化療藥物t1/2短并且還有嚴重的副作用,例如:骨髓造血功能抑制、心臟毒性等;另一方面,由于惡性腫瘤發(fā)生的位點有著數(shù)目極多的血管、管壁的縫隙相對于身體正常部位間隙較寬,所以用MSNs來當做阿霉素的藥物載體,可以輕而易舉地透過腫瘤血管到達發(fā)生腫瘤的部位,在腫瘤部位控釋、緩釋藥物來殺傷腫瘤細胞,如圖5。

A: 24 h; B: 48 h; a: P<0.05,b: P<0.01,與DOX比較。圖5 不同濃度的阿霉素和介孔二氧化硅納米藥物孵育T24細胞不同時間后細胞活性變化[10]

2.2.2 抗菌治療

用綠色方法制備新型二氧化硅@銀納米顆粒微球(SiO2@Ag)復合材料(SiO2@Ag NPs),該復合材料以用了含有硫醇的二氧化硅復合微球作為主體材料,能夠主動吸收并還原銀離子、使之成核而形成納米粒子,因未采用高分子分散劑作為銀納米粒子的穩(wěn)定劑,只在裸露的表層進行了反應,所以具備較大的反應潛力;沈啟慧[11]通過研究不同質(zhì)量濃度下NPs環(huán)境下大腸桿菌的時間失活曲線,表明,該SiO2@Ag復合材料具有優(yōu)良且持久的抗菌活性,并且該材料易分離、可不斷重復使用、抗菌活性衰減較其他材料速度慢。成程[12]以正硅酸四乙酯為硅源、表面活性劑CATB為導向劑制備出m-SiO2,再以m-SiO2為載體通過光還原法制備m-SiO2/Ag復合材料,試驗結果表明該復合材料對EC(大腸桿菌)、SA(銅綠假單細胞菌)、PA(金黃色葡萄球菌)的抑制作用均隨著銀的含量增大而增大,對G+抗菌效果比對G- 更強,如圖6。

圖6 m-SiO2/Ag復合材料作用下細菌生長曲線

另外,基于當前科研水平的提高,將金屬元素(Au、Ag等)與MSNs結合在一起成為當代研究的熱門方向。其可用于醫(yī)學影像、抗菌治療等方面。將具有抗菌性能優(yōu)異、表面可修飾、分子識別等特性的金納米粒子與銀納米粒子引入到具有粒徑均勻可控、表面易修飾等獨特性能的MSNs中,實現(xiàn)“強強聯(lián)合”,合成后可將抗菌藥物載入到此復合材料中,將大大地提高藥物的生物利用度。

2.2.3 用于其他疾病的治療

Wang Jianguo[13]通過試驗方法制備脂質(zhì)體納米粒(LA-LPNs),并對其進行藥物釋放和穩(wěn)定性試驗,試驗結果表明脂質(zhì)體納米粒可作為局部麻醉治療中利多卡因有效藥物載藥系統(tǒng)。Asima Farooq[14]采用血管功能的體外模型,對二氧化鈦涂層改善MSNs的生物相容性和釋放動力學進行了表征,結果表明二氧化鈦涂層明顯改善了MSNs的生物相容性,改變了藥物釋放動力學,可用于治療心血管疾病。Jiang Fen[15]將介孔二氧化硅顆粒首先被接枝上氨基,在介孔孔道表面配位金屬離子后,胰島素通過與金屬離子的配位鍵負載到介孔二氧化硅顆粒上;通過考察pH響應值的影響因素,確定其可作為胰島素的pH值敏感釋放載體,圖7為葡萄糖刺激響應型介孔二氧化硅的控制釋放體系。

圖7 葡萄糖刺激響應型介孔二氧化硅的控制釋放體系[16]

2.3 控制藥物釋放

由于介孔二氧化硅材料具有較大孔徑的孔道,所以Vallet將消炎藥布洛芬置于其中,結果表明介孔二氧化硅硅材料可以有效地發(fā)揮藥物載體的作用并且具有減緩藥物釋放的能力,這開創(chuàng)藥物使用介孔二氧化硅材料作為載體的先河[17]。MSNs無論是對分子量或大或小的藥物、不同的疏水性核酸、蛋白質(zhì)等都有良好的載物能力。使用MSNs負載藥物是因為其具有良好的生物相容性,MSNs不會與機體內(nèi)的必需或非必需的化學物質(zhì)發(fā)生相互作用,并且其硅羥基可以更好地在水中分散。

高艷等[18]開發(fā)了一種新型的光熱和氧化還原響應藥物傳遞載體,她主要通過用石墨烯量子點(Graphene quantum dots,GQD)封蓋介孔二氧化硅納米粒子(MSN)。通過胱氨酸和氨基官能化的MSN之間的酰胺化反應引入二硫鍵,羅丹明B(Rhodamine B,RhB)作為一個紅色的熒光染料,被裝載在了介孔二氧化硅納米粒子的中孔中成為了模型藥物,而多種石墨烯量子點也被封裝在了介孔二氧化硅納米粒子上,可以有效抑制羅丹明B的釋放。透射電鏡(Transmission electron microscope,TEM)、氮吸附和解吸分析、X 射線衍射(Diffraction of X-rays,XRD)、熱重分析(Thermogravimetric,TG)和傅里葉變換紅外光譜(Fourier-transform infrared spectroscopy,FT-IR)均證明,成功制備了由 GOD 封端的納米復合材料 MSN,如圖8所示。因其具有明顯的二硫鍵對谷胱甘肽(Glutathione,GSH)的氧化還原反應,因此負載的藥物可以可控地釋放。該藥物遞送系統(tǒng)可以被認為是藥物遞送和刺激響應釋放的先驅者。林[19]在骨科鈦板表面的二氧化鈦納米管陣列中填充MCM-41型MSNs,這種復合型載體較單純的二氧化鈦納米 管陣列具有更大的比表面積,能將骨科鈦板表面的載藥能力提高到一個新層次,同時降低阿磷酸鈉(ALN)在骨科鈦板表面的緩釋速率,如圖9所示。

圖8 由GOD 封端的納米復合材料的解析圖

圖9 TiO2阿侖酸鈉在不同納米管陣列的釋放速率

作為生物相容性良好的載體,藥物還未到達靶向細胞或組織細胞之前不會提前釋放藥物分子,這種新型靶向藥物傳遞系統(tǒng)能夠將有效劑量的藥物分子運送到需要發(fā)揮藥物作用的機體組織[20]。介孔二氧化硅材料對磷脂組織有強有力的親和力,因而會被用于加強藥物傳遞系統(tǒng)的生物相容性,由此能夠有效地控制釋藥能力[21]。由于人體內(nèi)環(huán)境為弱堿性環(huán)境,所以對于pH響應性MSN材料已經(jīng)成為當前研究的熱點話題,Su Qiaoling[22]以PBS(磷酸鹽緩沖溶液)為釋放介質(zhì),將DOX包載于具有均勻孔道結構的MSN材料中,結果表明,在pH值較低的環(huán)境下,藥物釋放速度快,隨著pH值的不斷升高,藥物釋放速度不斷減慢,這一研究結果為控制藥物釋放研究提出了新的思路。

2.4 改善藥物溶出度

隨著當代世界的科技發(fā)展與進步,許多新藥被研發(fā)出來,但是許多新藥表現(xiàn)出較低的溶解度。經(jīng)過不斷的研究發(fā)現(xiàn)[23],納米材料可極大增強藥物的溶解度,其中的機理是由于二氧化硅納米粒子具有大的表面積和較大的孔隙,可以盡可能的多儲存難溶性藥物,并且可以根據(jù)不同的需要改變介孔二氧化硅材料大小和形狀。介孔二氧化硅粒子[24]具有無毒性和良好的生物相容性是因為在機體內(nèi)部介孔二氧化硅納米粒子會被降解為硅醇基,可以輕松的從主體內(nèi)移除。介孔二氧化硅納米粒子具有較大孔徑的孔道,這為難溶性藥物以分子態(tài)或者無定形態(tài)吸附提供了空間,使難溶性藥物得到良好的溶解度和溶出速率,進而提高藥物的口服生物利用度。介孔二氧化硅的硅醇基能和藥物分子間產(chǎn)生氫鍵效應,將藥物粉末轉移、潤濕,并可使它由晶態(tài)轉化為非晶體;與晶態(tài)比較起來,非晶體藥物分子的自由能和轉化率都更高、更大,而具有低空間位阻的介孔材料則能夠降低或抑制非晶體藥物的重結晶,進而改善藥品的溶解性并增加了藥品的溶出速度。

伊曲康唑(Itraconazole,ITZ)作為一種結構為三氮唑類型的藥物[25],其具有抗真菌的作用;伊曲康唑具有非常高的晶格能,使其難以裂變?yōu)榉肿訝顟B(tài),從而使其水溶性大大降低。伊曲康唑具有良好的胃腸穿透性,能夠很好地被進入血液循環(huán)從而被人體吸收,但溶解性非常差,此藥物的生物利用度主要由其溶出度來決定的。Liu Xiao[26]通過模擬在胃液的環(huán)境,將伊曲康唑負載于介孔二氧化硅中,經(jīng)過XRD(X射線衍射)表征,結果發(fā)現(xiàn)當負載量為23%時,藥物能以無定型的狀態(tài)負載于介孔材料中,且增溶釋放效果較好(如圖10),今后的研究方向可以以介孔二氧化硅材料負載量對溶解藥物溶出度的影響為中心展開。

圖10 伊曲康唑在介孔材料中的負載和釋放示意圖

3 結語

MSNs具有介孔和納米材料的雙重功能,以無毒、高載藥量而知名并在生物醫(yī)藥領域表現(xiàn)出獨特的應用前景。就個人而言,現(xiàn)如今的研究主要有兩個熱門方向:其一是主要基于經(jīng)典的MSNs在形態(tài)、結構、生物相容性和生物降解性、表面修飾等方面進一步精細設計,從而得到性能更佳的、功能更強的MSNs。其二是以MSNs的基本結構為基礎,進一步研究從而發(fā)現(xiàn)介孔結構的多重結構及其多重功能。

總而言之,MSNs目前還有很多優(yōu)點和缺點等待著科研工作者不斷探索和改進。相信在未來科學研究的發(fā)展中,介孔二氧化硅納米顆粒會被更廣泛的應用于各種領域。